葉梓琪

（廣州美術(shù)學院 廣東 廣州 510000）

C G寫實角色創(chuàng)作研究

葉梓琪

（廣州美術(shù)學院 廣東 廣州 510000）

本篇論文的主題是研究和探討如何在三維軟件里制作寫實的人物角色。在早期的電影中出現(xiàn)的神話人物，都是由真實的人物通過化妝技術(shù)去扮演，并沒有運用任何的電腦特效。之后，計算機的普及和科學技術(shù)的不斷發(fā)展，我們開始運用三維技術(shù)來模擬現(xiàn)實中的物體。本文將從起初基礎的模型制作至最后的渲染合成，進行一次深入的研究和探討。文中將講述在制作中遇到的技術(shù)難點，以及物理渲染的一些基礎理論，包括如何運用CG的技術(shù)模擬真實的燈光，研究真實感的皮膚制作構(gòu)成，在三維里面如何一步步去實現(xiàn)寫實的效果等等。

動畫； CG； 渲染； 合成； 寫實

一、前期策劃與設計

此次制作需要運用到的軟件有Photoshop、Maya2016、3D Mari和After Effect，這些都是當前主流的動畫制作軟件。例如，Maya這款軟件會運用到的渲染引擎是Vray，其物理渲染非常真實，且渲染速度也與其它的渲染引擎相當。3D Mari這款繪圖軟件為當年拍攝電影《阿凡達》而獨立開發(fā)出的一款繪圖軟件。它能在三維空間里對模型進行立體的紋理繪畫，可以輸出高達32k的分辨率，操作功能非常強大，能夠?qū)崿F(xiàn)非常逼真的效果。

在建模型之初，筆者找了很多人像的參考圖做參考。因為很喜歡美劇《西部世界》里的神槍手詹姆斯·麥斯登，這樣就將選擇的范圍縮小了很多。以他的氣質(zhì)和形象，最終設計出符合自己心目中的人物模型。

首先，在photoshop軟件上畫出人物的基礎輪廓（一張頂視圖，一張側(cè)視圖，一張正面圖）。每一張三視圖的人物嘴角、眼角、鼻子和耳朵都要在同一水平線上。在這個基礎上再添加五官的細節(jié)，把這些設計參考圖完成后，就正式開始模型的制作。

二、模型制作

將做好的三視圖導入Maya，開始模型的制作。在模型的制作過程中，筆者使用的是多邊形建模命令，要求每個面都是四邊形。然而，偶爾也會出現(xiàn)一些三角面，只要在不影響布線規(guī)律的情況下是可以接受的。模型最終的質(zhì)量取決于合理的布線，所以布線非常重要。在制作的時候，要根據(jù)人物肌肉和骨頭的走向進行合理的布線，這樣做出的模型在之后的綁骨架和細分時才能減少失誤。

接下來要將模型進行UV拆分。首先要明白UV的含義，UV是三維模型里的X，Y，Z三個坐標軸，每個坐標軸精確記錄每個頂點的位置，UV則是把模型的表層展開到平面后，所有點坐標投射到平面上的精確位置的總和。人像的UV是要比幾何體的UV拆分的更為復雜，在這里筆者使用UV工具里的平面UV投射，把人像直接投射到UV網(wǎng)格中，然后把兩只耳朵的UV單獨剪切出來，進行UV平滑，再把有拉伸的地方進行切割，最終讓每個網(wǎng)格能盡快展平開來。在Maya2016版本里可以直接顯示出UV網(wǎng)格，因此要確保每一個UV的平均和是否有拉伸。然而，在Maya的UV拆分中有個弊端，每個UV展開并賦予了紋理貼圖以后，連接處都會有一條裂縫，這是由于貼圖在UV空間發(fā)生了錯位造成的，所以之后要使用3D Mari對其進行貼圖繪畫以解決這個問題。

在完成基礎模型的UV后，要把模型導入Zbrush軟件里進行皮膚紋理雕刻。首先調(diào)整一下模型的比例和外形，然后把這個模型細分成三個等級，雕刻出嘴巴，耳朵和眼角的細節(jié)。最后把模型再細分一個等級，進行皮膚的紋理雕刻。完成雕刻后再輸出一張法線貼圖Normal Map（在輸出圖片格式我選擇了4k的分辨率）。法線貼圖的作用是在CG動畫的渲染下，可以將一些高細節(jié)的模型通過法線烘培，然后賦予到低面數(shù)的模型上。

接著我們重新回到Maya軟件里，創(chuàng)建一個新的Vray材質(zhì)球，把法線貼圖連接到凹凸屬性里，選擇法線空間，就能讓一個低面數(shù)的模型顯示出非常清楚的皮膚紋理。

三、燈光的運用

接下來是很重要的打燈環(huán)節(jié)。為了實現(xiàn)一個真實的燈光效果，我們要仔細思考需要創(chuàng)造一個怎樣的光效環(huán)境效果，室內(nèi)的還是室外的，白天還是夜晚的等等。這里選用的是Vray渲染器，以求達到最逼真的物理渲染效果，且渲染速度適中，還有其自帶的Vray燈光。

同時，運用三點布光，即使用3個燈光擺在三個不同方位的方法。這三個燈光分別是主光源光Key Light，輔助光源Fill Light和背景光源Back Light。正是這三種燈光構(gòu)成了常用的三點布光法。

首先，在沒有燈光的場景中添加一盞Vray的Vray lightrect燈光，即區(qū)域燈。它的亮度和發(fā)光的強度相關(guān)聯(lián)，燈光的亮度和面積大小是關(guān)聯(lián)的，就是說面積越大，燈光的亮度也會增強。區(qū)域光一般是用來模擬陽光從窗戶射入的光線等情況，它以物理計算為基礎，渲染出來的光照非常寫實逼真。

主光源一般會使用三維軟件中的平行光或者區(qū)域燈。在這里建一個平行光為主光源，模擬陽光、室內(nèi)燈光等。由于主光源是整個場景中的光影主要來源，也是產(chǎn)生陰影的主要因素。這盞主光燈是擺在人像正面左側(cè)的位置，位于攝像機的45度角，這盞燈默認的強度（Lntensity Multiplier）為30，把它設置成24（具體數(shù)值參數(shù)要根據(jù)實際情況來設定）。然后建立一盞側(cè)光燈在人像正面的右側(cè)，剛好與主光燈形成90度的夾角，輔助燈的強度為16，這樣就可以把人物的光影明暗交界線顯示出來。然后，在人物后面建一盞背光燈，燈光強度為28，把人物的輪廓線突顯出來，讓角色更有視覺沖擊力，通過這三盞燈基本上可以完成人物的光照效果。

為什么默認的燈光強度為30，但這三盞燈光的強度都低于這個數(shù)值呢？渲染效果確實會比較暗，主要是接下來還要添加一盞環(huán)境光來擬補燈光的不足。這個燈光是運用Vray的VRayLightDome,在此之前要預先挑選好一張HDR貼圖，因為這盞燈的環(huán)境光是根據(jù)HDR圖片里面的環(huán)境進行模擬光照的。當然選擇HDR貼圖也要根據(jù)之前3點布光的效果相結(jié)合，如果是模擬室內(nèi)的光照，正常就要選擇一張室內(nèi)的HDR圖片。在VRayLightDome的Texture下勾選Use Dome Tex，然后在Dome Tex里添加HDR貼圖，添加完以后，一定要在Parameters的屬性里（Horizontal rotation）設置與主光源的方向匹配一致。在這種情況下如果進行渲染整個畫面都會曝光過度，所以要把VRayLightDome的燈光強度改為0.3（VRayLightDome默認的燈光強度為1，與Vraylightrect燈光默認強度有所區(qū)別），這樣才能平衡整個場景的照明效果。當然，這些只是數(shù)據(jù)，要根據(jù)不同情況多次嘗試出最好的效果，所以明白其中的原理才是最重要的。

四、紋理貼圖與材質(zhì)球

完成燈光測試后就可以進行皮膚的紋理繪畫了。在繪畫之前，我們需要理解真實皮膚的構(gòu)造，這也是基于Vray物理渲染引擎的需要。例如，燈光會根據(jù)真實的折射滲透到皮膚里然后再反射出來，所以一定要了解Vray渲染引擎的物理計算方式，才能制作出真實的皮膚效果。人類的皮膚主要分為表皮層、真皮層和皮下組織。理解這些圖層的作用和含義后，將這三層皮膚分別畫出來，再繪制皮膚的凹凸和高光部分。

這三張貼圖需要連接在VRayFastSSS的皮膚材質(zhì)球里的Overall color、Diffuse color 和Subsurface color 這三個圖層里。

人體皮膚在3D模擬上半透固有色的控制需要用到3張貼圖。第一張是表皮層（Overall color），這個圖層需要把皮膚的細節(jié)繪畫上去，例如斑點、傷痕之類。最重要的是要控制它的灰度和飽和度，因為Overall color的圖層是根據(jù)黑白顏色的深淺進行識別的，顏色越接近白色渲染透射底下的一層就越清晰，反之則越低。第二層是漫反射層（Diffuse color），需要用平面軟件繪制皮膚真實的固有色，色調(diào)偏中性；中間真皮層會在diffuse層的基礎上稍作偏綠調(diào)的調(diào)整，以達到被包裹的半通透性膚質(zhì)效果。第三層（Sub-surface color）是毛細血管層，此層的制作會夸張地描繪血管，以及充血的范圍，故整個貼圖色調(diào)都偏紅。

高光和凹凸貼圖這兩個圖層相對比較容易理解，因為這兩張貼圖只需要黑白通道就能達到預期的效果。高光圖層，即需要反光的地方就越亮。一般鼻子，額頭和嘴唇這些地方的高光都是明亮的，其它地方就相對較暗。凹凸圖層，則顏色越亮的地方就會越凸出來，反而顏色越暗就越凹進去。

如果按功能來分類，貼圖基本可以分成三大類。第一類，改變對象顏色的貼圖；第二類，改變對象形狀的貼圖；第三類，能改變?nèi)魏蝿赢嫚顟B(tài)的貼圖。

完成貼圖的繪制后，還需要理解貼圖與材質(zhì)球之間的相互關(guān)系。貼圖相對于材質(zhì)所體現(xiàn)的意義，是以平面圖像的像素信息取代整片相同的像素信息。模擬真實人物皮膚用到的技術(shù)，并不只是簡單的將模型點立體坐標均勻拓撲在一張平面2D坐標上進行顏色信息采樣（復雜的Sub-surface Scattering膚色質(zhì)感模擬），更是需要讓原始模型的每一個幾何表面都均作法線，并以RGB三個不同的參數(shù)通道進行標記。改變照明范圍（Normal map），卻不會影響渲染輸出的Alpha遮罩范圍。然后通過模型點在三維坐標上沿面法線灰度值定義一個距離，拓展整個模型實際渲染遮罩外形，以更能體現(xiàn)美觀細節(jié)的范圍（Displayment map）。

以Maya的材質(zhì)著色系統(tǒng)為例，能通過渲染窗口顯示出來的模型都已被賦予了材質(zhì)，反之卻未必。當用戶隨便建立一個被賦予材質(zhì)的幾何模型的時候，無論是否有光照，都能夠在渲染輸出的結(jié)果中帶有自己的Alpha通道，以此能推斷出Maya材質(zhì)是否被賦予在模型上，也決定了模型能否正確地在渲染器中輸出。那么，新建立的幾何模型他們沒再賦予任何材質(zhì)，何以能夠完成渲染輸出？其實是因為建立任何模型的時候，Hypershader窗口里面的Lambert1已經(jīng)默認和他們完成了材質(zhì)交互，當斷開模型和材質(zhì)之間節(jié)點的時候，再次渲染便沒有了任何的Alpha遮罩信息。

Maya三維動畫的制作流程中，紋理表面著色必須通過材質(zhì)（Materail）賦予來完成完整逼真的立體視覺效果。由于著色器（Shader）采用實時的非明暗著色算法，因此硬件要求遠遠達不到其反饋真實效果的需要。在常規(guī)的工作流程中，采取的成像方案始終是把具有物理照明的復雜3D場景逐幀刪格成2D序列，這便是真正意義上的渲染輸出（Render Output），為具有真實照明邏輯的影視作品提供在著色層面上準確無誤的素材。

五、渲染與后期合成

測試完材質(zhì)渲染以后，需要渲染輸出8個圖層，RGB COLOR固有色圖層， DIFFUSE漫反射圖層，SPECULAR高光圖層，REFLECT 反射圖層，SSS皮膚圖層，NORMALS法線圖層，LIGHTING燈光圖層，ZDEPTH Z通道圖層。

三維動畫分層渲染輸出之后，得到的素材需要進行有邏輯地合成。一般渲染層可以有角色層，場景層，燈光層，天光層、直接光照層，間接光照層，紅綠藍通道，環(huán)境光遮擋層，深度層，法線層和動態(tài)模糊層等等。進行分層的時候先按物體來分，再劃分附加的效果層。比如在室內(nèi)的場景中，角色常為單獨的一層，場景也同樣。而深度、通道等層就要包含兩者在其中。

合成的思路常見的是先把所有物體的固有色層統(tǒng)一合并，并且各自套于自身的通道遮罩中，先確保畫面的合理邏輯性，再將遮罩加減所產(chǎn)生的縫隙處理干凈。其實在所有物體固有色合并好的情況下，已經(jīng)具有了一定的畫面完整度。然后制作人需要做的便是調(diào)整畫面的美感和藝術(shù)成分。 顏色調(diào)節(jié)需要常年的積累和敏銳的藝術(shù)觸覺，是最重要的CG制作環(huán)節(jié)之一，對于CG制作者來說要求異?？量蹋斨械纳A、色相、對比度、飽和度...等等參數(shù)都要進行有效的有機整合，否則單靠渲染輸出來的圖像會相當不協(xié)調(diào)。

結(jié)語

本次對CG寫實角色研究，有溫故知新的意義，主要是探討和研究CG角色的整個制作流程，在制作的過程當中如何理解和解決遇到的技術(shù)要點和難點，通過本次的研究探討對于CG角色制作有了更深層次的理解，為國內(nèi)高等教育的CG動畫教學提供一些借鑒和參考。

鑒于現(xiàn)在數(shù)字科技的發(fā)展日新月異，CG的制作方式也多種多樣，但制作的原理和思路不變，只有深入地理解其中的原理，才能不論運用什么軟件也能制作出逼真的CG角色，正如筆者一直秉承的教學理念，授人予魚，不如授人予漁。

〔1〕（美）班克羅夫特.動畫角色設計.北京:清華大學出版社，2014（2）；

〔2〕（美）約翰卡尼梅克.動畫人的生存手冊.中國青年出版社，2013（5）；

〔3〕（美）特雷西.米勒.功夫熊貓3電影藝術(shù)畫冊設定.新星出版社，2015（12）；

〔4〕（美） Jeremy Vickery.高效電影級燈光照明理論及實例.教學視頻，2011；

〔5〕（美）Hardy Fowler.光線與色彩視覺藝術(shù)訓練.視頻教程，2014；

〔6〕（美）詹姆斯格爾尼 (James Gurney).色彩與光線:寫實主義繪畫指南.人民郵電出版社，2013。

葉梓琪（1987--），男，碩士，助教，研究方向：視覺藝術(shù)與科技影像專業(yè)，本科與研究生畢業(yè)于法國巴黎第八大學——視覺藝術(shù)與科技影像專業(yè)。研究生畢業(yè)于希臘雅典美術(shù)學院---視覺藝術(shù)與虛擬現(xiàn)實專業(yè)。現(xiàn)任廣州美術(shù)學院教師。